DE3206046A1

DE3206046A1 - Fluessigkeitsniveauanzeiger

Info

Publication number: DE3206046A1
Application number: DE19823206046
Authority: DE
Inventors: Hartwig Dr. 8080 Fürstenfeldbruck Rüll
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1981-02-20
Filing date: 1982-02-19
Publication date: 1982-09-09
Also published as: US4355238A

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen Berlin und München VPA 81 P 8207 DE

Flüssigkeitsniveauanzeiger

Die Erfindung betrifft gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 einen Flüssigkeitsniveauanzeiger.

Während der letzten Jahre ist die optische Signalübertragung in elektronischen Systemen eine wesentliche technologische Neuerung geworden. Unter den Gründen für den Vorzug faseroptischer Signalübertragung vor elektrischer Signalübertragung befindet sich die Ver-

15' fügbarkeit zusätzlicher Bandbreite kombiniert mit der Elimination elektromagnetischer Störungen. Andere Gründe enthalten die bequeme Trennung elektrischer Potentiale verschiedener Systemkomponenten.

Die faseroptische Übertragung ist für mittlere und lange Kommunikationsdistanzen und für digitale Datenübertragung in gewissen Industrieanwendungen verwendet worden, wo elektromagnetische Störungen oder elektrische Trennung von spezieller Bedeutung ist. Faseroptische Übertragungsleitungen sind auch in Verbindung mit der Schaltung hoher Spannungen, Kraftwerksteuerung .und Prozeßsteuerung elektrischer öfen verwendet worden. Die Anwendung in Flugzeugen und in Kraftfahrzeugen ist ebenfalls bekannt.

In Steuersystemen wird die Signalkommunikation in digitaler Form nicht nur zwischen Datenverarbeitungseinheiten, sondern auch zwischen Datenverarbeitungseinheiten und Eingangs- und/oder Ausgangseinrichtungen verwendet. Eine besondere Signalempfindlichkeit besteht zwischen Sensoren und Datenverarbeitungsgeräten. Des-

VPA 81 P 8207 DE halb ist eine faseroptische Kommunikation auf digitaler Basis zur Signalübertragung zwischen Sensoren und dem Steuer- und/oder Verarbeitungssystem verwendet worden (Control Engineering, Febr. 1979, S. 30 - 33). Die Sensorvorrichtung dient zur Gewinnung von Eingangsinformationen in Bezug auf physikalische Parameter, die für das Steuer- und/oder Verarbeitungssystem von Bedeutung sind, beispielsweise Temperatur,Druck, Position, Fluß oder Strömung, Geschwindigkeit, Flüssigkeitsniveau usw..

Aus der DE-OS 30 34 344, Figuren 7a bis 7i geht ein Flüssigkeitsniveauanzeiger hervor, der eine faseroptische Signalübertragung verwendet. In diesem bekannten Anzeiger läuft Licht durch eine gekrümmte Faser. Wenn der Bogen oder die Biegung der Faser in die.Flüssigkeit eingetaucht wird, wird das Licht in der Faser in diesem Bereich nicht langer total reflektiert. Das durch die Faser übertragene Licht erleidet einen Verlust, der von der Größe der Eintauchtiefe abhängt. Die übertragene Intensität kann durch einen elektrischen Lichtdetektor gemessen werden. Dessen Ausgangssignal, das ein Analogsignal ist, kann weiterverarbeitet werden. Der Bereich der Niveauhöhen, der mit diesem bekannten Anzeiger gemessen werden kann, ist begrenzt.

Für viele Zwecke ist ein digitales oder quasidigitales Signal als Anzeigesignal für die Eintauchtiefe oder Höhe des Flüssigkeitsspiegels zweckmäßig. Zusätzlich ist es zweckmäßig,einen Flüssigkeitsniveauanzeiger so zu gestalten, daß er über einen großen Niveaubereich betrieben werden kann.

VPA 81 P 8207 DE Demgemäß ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen faseroptischen Flüssigkeitsniveauanzeiger zu ' schaffen, der ein quasidigitales Anzeigesignal erzeugt. Dieser Flüssigkeitsanzeiger soll außerdem zur Messung großer Niveauunterschiede geeignet sein.

Diese Aufgabe wird durch einen Flüssigkeitsniveauanzeiger der genannten Art gelöst, der die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale aufweist.

Bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Flüssigkeitsniveauanzeigers gehen aus den Unteransprüchen 2 bis 10 hervor.

.

Demgemäß enthält ein erfindungsgemäßer Flüssigkeitsniveauanzeiger eine Anzahl, vorzugsweise eine große - Zahl erster lichtübertragender Fasern. Jede Faser weist ein erstes Lichteintrittsende zum Empfang von Licht und ein erstes Lichtaustrittsende zur Abgabe des durch die Faser übertragenen Lichts auf. Die ersten Lichtaustrittsenden sind übereinander angeordnet, so daß sie in die Flüssigkeit eingetaucht werden können.

Der Flüssigkeitsniveauanzeiger enthält auch eine Anzahl von zweiten lichtübertragenden Fasern, vorzugsweise so viele, wie erste lichtübertragende Fasern vorhanden sind. Jede dieser zweiten lichtübertragenden Fasern weist ein zweites Lichteintrittsende zur Aufnahme von Licht und ein zweites Lichtaustrittsende zur Abgabe des durch die Faser übertragenen Lichts auf. Die zweiten Lichteintrittsenden sind ebenfalls übereinander angeordnet, so daß sie in die Flüssigkeit eingetaucht werden können. Jedes dieser zweiten Lichteintritt senden ist einem ersten Lichteintrittsende zugeordnet, so daß es Licht davon empfängt. Der

' -Iy- VPA 81 P 8207 DE

Plüssigkeitsanzeiger enthält des weiteren eine optische Linseneinrichtung, die zwischen jedem ersten Lichtaustrittsende und dem diesem zugeordneten Lichteintrittsende angeordnet ist. Diese optische Linseneinrichtung empfängt Licht aus dem ersten Lichtaustrittsende. Wenn die optische Linseneinrichtung nicht in die Flüssigkeit eingetaucht ist, fokussiert sie das empfangene Licht aus das zugeordnete zweite Lichteintrittsende. Die optische Linseneinrichtung weist im wesentlichen den gleichen Brechungsindex auf, wie die Flüssigkeit. Deshalb verliert die Linseneinrichtung ihre fokussierende Wirkung, wenn sie in die . Flüssigkeit eingetaucht ist. Anders ausgedrückt, wenn das Niveau so angestiegen ist, daß die optische Linseneinrichtung in die Flüssigkeit eintaucht, empfängt das zugeordnete zweite Lichteintrittsende wesentlich weniger Lichtintensität als vorher.

Der Flüssigkeitsniveauanzeiger enthält auch mehrere Lichtdetektoren, vorzugsweise einen für jede der zweiten lichtübertragenden Fasern. Jeder dieser Lichtdetektoren ist einem der zweiten Lichtaustrittsenden der zweiten lichtübertragenden Fasern zugeordnet, so daß er Licht davon empfängt. Die Verteilung der Ausgangssignale dieser Lichtdetektoren ist eine Anzeige des Flüssigkeitsniveaus.

Die vorstehenden und andere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden detaillierteren Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung hervor, die in den Figuren dargestellt sind. Von den Figuren zeigen:

Figur 1 eine Ausführungsform eines Flüssigkeitsniveauanzeigers, der pro Fasersatz, bestehend aus einer ersten und zugeordneten zweiten lichtübertragenden Faser, je eine Einzellinse aufweist;

VPA 81 P 8207 DE Figur 2 ein Diagramm, das die Intensitätsverteilung an den Ausgängen der Detektoren zeigt und damit die Höhe des Flüssigkeitsspiegels, wie sie von der Ausführungsform gemäß Figur 1 angezeigt wird; und

Figur 3 eine zweite Ausführungsform eines Flüssigkeitsniveauanzeigers, der eine gemeinsame Linse für alle Fasersätze aus einer ersten und zweiten lichtübertragenden Faser enthält.

In den Figuren 1 bis 3 sind für äquivalente Komponenten und Elemente die gleichen Bezugszeichen verwendet.

-βέ VPA 81 P 8207DE

In der Figur 1 ist ein Anzeiger zum Abtasten der Oberfläche oder des Spiegels 2 einer Flüssigkeit 4, beispielsweise in einem Behälter, der ein Tank, eine Tonne oder ein Faß sein kann, dargestellt. Es interessiert das Niveau oder die Höhe h des Spiegels 2 über einem vorbestimmten Grundspiegel 6. Das Niveau h ist Änderungen unterworfen, beispielsweise beim Auffüllen des Behälters.Der Niveauanzeiger für Flüssigkeiten benutzt als Anzeigeprinzip die Differenz zwischen dem Brechungsindex der Flüssigkeit 4 und dem Brechungsindex der freien Umgebung. Der dargestellte Niveauanzeiger für Flüssigkeiten ist zur Anzeige von Flüssigkeitsniveaus h geeignet, die sich in einem weiten Bereich ändern können. Der -AnzeTger>kann auch zum Anzeigen .■__..

großer- Eintauchtiefen verwendet werden.

Nach Figur 1 ist eine Anzahl η von Lichtquellen A₁, A₂ ...A^., - A_ vorgesehen. Diese Lichtquellen A₁-A_n können beispielsweise lichtemittierende Dioden (LED) sein.

Die Lichtquellen A₁ - A senden ihr Licht in Richtung von Eintrittsenden von η Übertragungsfasern oder ersten lichtübertragenden Fasern F^, F₂, ..^F_n-1 bzw. F_Q aus. Die von den Lichtaustrittsenden der Fasern F₁ - F ausgestrahlten Lichtintensitäten sind alle gleich. Die Austrittsenden sind Übereinander angeordnet, so daß sie eines nach dem anderen in die Flüssigkeit eingetaucht werden, wenn der Spiegel 2 vom Grund- oder Bodenniveau 6 ansteigt. Insbesondere sind die Lichtaustrittsenden längs einer vertikalen Geraden angeordnet, die mit dem Bezugszeichen 8 versehen ist.

Es sei darauf hingewiesen, daß die Endabschnitte der Fasern F₁ - F waagerecht angeordnet sind, wohingegen

40.

-Z- VPA 81 P 8207 DE

ihre Anfangs- oder Eintrittsabschnitte sich im wesentlichen vertikal zum Flüssigkeitsspiegel.2 erstrecken.

Der Niveauanzeiger umfaßt auch eine Anzahl η Empfangsfasern oder zweiter lichtübertragender Faser R₁, R₂, ..., R_n-1, R_n. Die Lichteintrittsenden dieser zweiten Fasern R₁-R_n sind ebenfalls übereinander angeordnet, damit sie in die Flüssigkeit 4 eintauchen können. Insbesondere sind die zweiten Lichteintrittsenden längs einer zweiten vertikalen Geraden angeordnet, die mit dem Bezugszeichen 10 versehen ist. Jedes dieser zweiten Lichteintrittsenden ist einem der ersten Lichtaustritts enden der ersten Fasern F₁ bis F_n zugeordnet. Beispielsweise ist das Lichtaustrittsende der ersten Faser ^_n-1 direkt gegenüber dem Lichteintrittsende der zugeordneten zweiten Faser R_n--J angeordnet. Die Endabschnitte der Fasern F_n-1, R_n-I sind waagerecht angeordnet.

Die Anzahl η der Fasersätze F₁ - F_n und R-J-R_n hängt von dem Niveaubereich des Spiegels 2 ab, der abgedeckt werden soll, und von dem zulässigen Zuwächsen.

Zwischen jedem ersten Lichtaustrittsende und seinem zugeordneten zweiten Lichteintrittsende ist je ein optische Linse L₁, Lp, '"/^_n-1 bzw. L_n angeordnet. Diese Linsen L₁ - L_n weisen alle die gleiche positive Brennweite auf. Insbesondere sind als Linsen L₁ - L eine Anzahl η von einzelnen Bikonvexlinsen vorgesehen. Das Material dieser Linsen L₁ - L_n ist so gewählt, daß ihr Brechungsindex gleich dem Brechungsindex der Flüssig keit 4 ist oder nicht allzuweit davon abweicht.

Das Licht, welches die ersten Austrittsenden verläßt, wird durch die Linsen L₁ - L_n auf die zweiten Eintrittsenden fokussiert, wenn diese optischen Linsen L₁ - L nicht in die Flüssigkeit 4 eingetaucht sind. In der

"Si" VPA 81 P 8207 DE

Figur 1 ist dies bei den Lichtwegen der Fall, in denen die oberen drei Linsen L , L . und L_₂ angeordnet sind.

Aufgrund des ausgewählten Brechungsindexes für die optischen Linsen L₄-L verlieren diese ihre fokussie-

^r in

rende Wirkung, wenn sie in die Flüssigkeit 4 eingetaucht sind. In der Figur 1· ist dies bei den Strahlengängen der Fall, die zu. den vier unteren Linsen L₁, L₂, L^...

^L _n_3 ^v gehören, die in die Flüssigkeit getaucht sind.

Anders ausgedrückt, die optischen Linsen L₁, L₂, L,, ..., L-z , welche von der Flüssigkeit 4 bedeckt sind, können das Licht nicht mehr auf die zweiten Fasern R₁, R₂, R,, bzw. R_n * fokussieren. Die empfangene Lichtintensität ist nur klein. Die Linsen L_n_₂ L_n-1 . und L_n jedoch, die nicht in die Flüssigkeit 4 eingetaucht sind, noch Licht in die drei ihnen zugeordneten Empfangsfasern R_n_2 »' ^Rn-1 .¹³²W* ^n · Deshalb sind die empfangenen Lichtintensitäten groß.

Zur Messung oder Bestimmung des Niveaus h des Spiegels 2 der Flüssigkeit 4 werden die Strahlungsintensitäten, die den Empfangsfasern R₁ - R_n zugeführt werden, gemessen und miteinander oder mit gegebenen Werten verglichen.

Wie schon erwähnt, sind die eingangsseitigen Endabschnitte der zweiten lichtübertragenden Fasern R-I-^_n waagerecht angeordnet, d.h. sie erstrecken sich "30 parallel zur Fläche 2. Die austrittsseitigen Endabschnitte treten vertikal aus dem Flüssigkeitsspiegel 2 heraus.

Jedem der zweiten Lichtaustrittsenden der zweiten lichtübertragenden Fasern R₁ - R ist je ein Lichtdetektor D₁, D₂, •••»Οη.ή » ^D _n zugeordnet. Diese Lichtdetektoren D₁ - D messen die Intensität des von

VPA 81 P 8207 DE der jeweils zugeordneten Lichtquelle A₁, Ag, ...A_n-1

A^ kommende Licht,
η

In der Figur 2 ist die von den einzelnen Lichtdetektoren D₁ - D_n der Anzeige gemäß Figur 1 gemessene Lichtintensitätsverteilung I in.Abhängigkeit von den Indexzahlihi, 2, 3, ...,n d.er Detektoren. D₁ --· D ... dargestellt. In der Ausführungsform nach Figur 1 sind die Detektoren, denen die Zahlen 1, 2, 3, ... η - 3 zugeordnet sind, unterhalb der Fläche 2. Da die fo kussierende Wirkung verlören ist, sind die gemessenen Intensitäten I relativ niedrig. Die drei Detektoren D_n_2 f ^Dn-T" ^aun(i ^n ⁵^* ^^{en Nummern n} ~ ²» ⁿ " 1 bzw. η liegen über der Fläche 2. Aufgrund der fokussierenden Wirkung der Linsen L 2 ♦ ^n-1' " ^n ^s*ⁿ⁽* ^^e von diesen Dete&oren gemessenen Intensitäten groß.

Wie in der Figur 1 dargestellt, sind die Linsen L₁-L auf einer vertikalen Geraden angeordnet. Vorzugsweise werden sie in einem Mittelabschnitt zwischen den Enden der zugeordneten Fasersätze F und R angeordnet. Vorzugsweise wird der Abstand zwischen den Faserenden und den Hauptebenen der Linsensätze L, wie in Figur 1 angedeutet, der doppelten Brennweite f der Linsen gewählt, weil dadurch die Intensität erhöht werden^kann. Dies ist die Bedingung für eine 1 : 1 Abbildung.

In der Ausführungsform nach Figur 1 sind verschiedene Linsen L₁ - L_n vorhanden. Wenn nur ein kleiner Niveaubereich h des Spiegels 2 zu überdecken ist, kann eine einzelne Linse L für alle Fasersätze F, R verwendet werden. Dies ist in der Figur 3 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform ist nur der untere Abschnitt der gemeinsamen Linse, L in die Flüssigkeit 4 eingetaucht. Deshalb ist der Fokussierungseffekt lediglich bezüglich des ersten Fasersatzes F₁, R₁ verlorengegangen. Die Linse: L kann beispielsweise und wie darge-

VPA 81 P 8207 DE stellt, eine Bikonvexlinse sein.

In der Figur 3 ist auch gezeigt, daß der Niveauanzeiger nur eine einzige Lichtquelle A aufweisen kann, die.Licht zu allen η ersten Fasern E₁ - F ausstrahlt. Das Licht wird durch eine Fokussierungsvorrichtung P auf die Lichteintrittsenden der ersten Fasern F₁ - F fokussiert. Diese Eintrittsenden werden vorzugsweise zusammengebündelt. Die Fokussierungsvorrichtung oder -einrichtung P kann ein Linsensystem sein.

10 Patentansprüche
3 Figuren

ty

Leerseite

Claims

y VPA 81 P 8207 DE Pat entansprüche

/ Λ J Flüssigkeitsniveauanzeiger, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale: a) eine Anzahl erster lichtübertragender Fasern (F₁, F₂, ..., ^_n-I» ^F _n) ^von denen jede ein erstes Lichteintrittsende zum Empfang von Licht und ein erstes Lichtaustrittsende zur Abgabe des durch d^e Faser übertragenen Lichts aufweist, wobei die ersten Lichteintrittsenden übereinander angeordnet in die Flüssigkeit eintauchbar sind;

b) eine. Anzahl zweiter lichtübertragender Fasern

(R₁, Rp, ..., ^R _n_i» ^R _n)» ^von denen jede ein zweites Lichteintrittsende zum Empfang von Licht und ein zweites Lichtaustrittsende zur Abgabe des in der Faser übertragenen Lichts aufweist, wobei die zweiten Lichteintrittsenden übereinander angeordnet in die Flüssigkeit eintauchbar sind und jedes dieser zweiten Lichteintrittsenden einem ersten Lichtaus-' trittsende zugeordnet ist, so daß es von dort Licht empfängt;

c) eine Linse (L₁, L₂, ..., L_n-1* L_n; L) zwischen jedem ersten Lichtaustrittsende und dem diesem zugeordneten zweiten Lichteintrittsende zum Empfang von Licht aus dem ersten Lichtaustrittsende und zum Fokussieren dieses Lichts auf das zugeordnete zweite Lichteintrittsende, wenn die optische Linse nicht in die Flüssigkeit eingetaucht ist, wobei die optische Linse im wesentlichen den gleichen Brechungsindex aufweist, wodurch sie ihre fokussierende Wirkung verliert, wenn sie in die Flüssigkeit eingetaucht ist; und

d) eine Anzahl von Lichtdetektoren (D₁, D₂, ..., D_n-1, D_n) von denen jeder einem zweiten Lichtaustrittsende der zweiten lichtübertragenden Fasern zum Empfang von Licht daraus zugeordnet ist.

VPA 81 P 8207 DE
2. Flüssigkeitsniveauanzeiger nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Anzahl von Lichtquellen (A.., A«, ...» A <., A^), von denen jede einem der ersten Lichteintrittsenden zum Aussenden von Licht zu diesen Lichteintrittsenden zugeordnet ist.
3. Flüssigkeitsniveauanzeiger nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine einzige Lichtquelle (A) zum Aussenden von Licht zu allen ersten Lichteintrittsenden.
4. Flüssigkeitsniveauanzeiger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwischen einem ersten Lichtaustrittsende und dem ihm zugeordneten zweiten Lichteintrittsende je eine einzelne Linse (L₁ bis L_n) angeordnet ist.
5. Flüssigkeitsniveauanzeiger nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den ersten Lichtaustrittsenden und den zweiten Lichteintrittsenden eine gemeinsame Linse (L) angeordnet ist.
6. Flüssigkeitsniveauanzeiger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß eine Linse (L₁ bis L; L) mindestens eine Bikonvexlinse aufweist.
7. Flüssigkeitsniveauanzeiger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß eine Linse (L₁ bis L ; L) eine positive Brennweite aufweist und daß das erste Lichtaustrittsende und das zweite Lichteintrittsende jeweils in einem Abstand von der Linse angeordnet sind, der etwa gleich der doppelten Brennweite der Linse entspricht.

-if- VPA 81 P 8207 DE
8. Flüssigkeitsniveauanzeiger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Lichtaustrittsenden auf einer ersten und die zweiten Lichteintrittsenden auf einer zweiten Linie angeordnet sind, und daß diese Linien senkrecht zur Oberfläche der Flüssigkeit angeordnet sind.
9. Flüssigkeitsniveauanzeiger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die ersten lichtübertragenden Fasern (F^ bis F) senkrecht durch die Oberfläche der Flüssigkeit führen.
10. Flüssigkeitsniveauanzeiger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten lichtübertragenden Fasern (R₁ bis R) senkrecht durch die Oberfläche der Flüssigkeit führen.